Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống treo tích cực macpherson

Ô tô ngày nay không còn đơn thuần là sản phẩm của ngành cơ khí, nó là sản phẩm của tất cả các ngành khoa học kỹ thuật. Có thể nói: Ô tô là tinh hoa của một nền công nghiệp. Ngành công nghiệp ôtô trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ. Các hãng ôtô đang tập trung nghiên cứu phát triển nâng cao tính tiện nghi, độ an toàn chuyển động, thân thiện với môi trường và nâng cao chất lượng phương tiện. Hàm lượng công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển tự động trên ôtô ngày càng tăng. Hệ thống treo là một hệ thống quan trọng của ôtô, nó có tính quyết định đến độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ôtô. Để tối ưu hóa hệ thống treo, các công nghệ tự động và điều khiển đã được ứng dụng vào hệ thống. Hệ thống treo có điều khiển đang được phát triển nhanh chóng, đặc biệt là hệ thống treo tích cực với những ưu thế so với các hệ thống treo khác sẽ ngày càng ứng dụng rộng rãi. Chính vì vậy việc tiếp cận và nghiên cứu về các phương pháp điều khiển mới trên ôtô nói chung và hệ thống treo tích cực nói riêng là rất cần thiết. Tuy được sự quan tâm lớn của Đảng và nhà nước nhưng ngành công nghiệp ôtô nước ta vẫn còn rất khiêm tốn. Kế thừa thành tựu khoa học của thế giới, nghiên cứu phát triển công nghệ và kỹ thuật mới là cần thiết để góp phần thúc đẩy công nghiệp ôtô Việt Nam phát triển. Trên cơ sở thực tiễn và phân tích những đề tài nghiên cứu đã có, đề tài “Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống treo tích cực Macpherson” đã được lựa chọn để nghiên cứu.

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

LỜI MỞ ĐẦU

Ô tô ngày nay không còn đơn thuần là sản phẩm của ngành cơ khí, nó là sản phẩm

của tất cả các ngành khoa học kỹ thuật Có thể nói: Ô tô là tinh hoa của một nền công nghiệp

Ngành công nghiệp ôtô trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ Các hãng ôtô đang tập trung nghiên cứu phát triển nâng cao tính tiện nghi, độ an toàn chuyển động, thân thiện với môi trường và nâng cao chất lượng phương tiện Hàm lượng công nghệ thông tin,

kỹ thuật điều khiển tự động trên ôtô ngày càng tăng

Hệ thống treo là một hệ thống quan trọng của ôtô, nó có tính quyết định đến độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ôtô Để tối ưu hóa hệ thống treo, các công nghệ tự động và điều khiển đã được ứng dụng vào hệ thống Hệ thống treo có điều khiển đang được phát triển nhanh chóng, đặc biệt là hệ thống treo tích cực với những ưu thế so với các hệ thống treo khác sẽ ngày càng ứng dụng rộng rãi Chính vì vậy việc tiếp cận và nghiên cứu về các phương pháp điều khiển mới trên ôtô nói chung

và hệ thống treo tích cực nói riêng là rất cần thiết

Tuy được sự quan tâm lớn của Đảng và nhà nước nhưng ngành công nghiệp ôtô nước ta vẫn còn rất khiêm tốn Kế thừa thành tựu khoa học của thế giới, nghiên cứu phát triển công nghệ và kỹ thuật mới là cần thiết để góp phần thúc đẩy công nghiệp ôtô Việt Nam phát triển

Trên cơ sở thực tiễn và phân tích những đề tài nghiên cứu đã có, đề tài “Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống treo tích cực Macpherson” đã được lựa chọn

để nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu:

Thiết kế bộ điều khiển dựa trên mô hình dao động không gian xe (mô hình 1/4 xe ) của ôtô với hệ thống treo tích cực Đánh giá ưu điểm của hệ thống treo tích cực Macpherson điều khiển bằng bộ điều khiển tối ưu LQG với hệ thống treo Macpherson không có bộ điều khiển

Đối tượng nghiên cứu:

 Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống treo tích cực Macpherson nhằm

nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động cho ôtô

 Mô phỏng, đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển được thiết kế

Phạm vi nghiên cứu:

 Nghiên cứu kết cấu hệ thống treo ôtô và hệ thống treo tích cực Macpherson

 Xây dựng mô hình dao động phẳng dọc trục (1/4 xe oto)

 Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu LQG hệ thống treo tích cực

Macpherson

 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống treo tích cực Mapherson

 Mô phỏng, đánh giá chất lượng làm việc của bộ điều khiển được thiết kế

Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính

Cách tiếp cận:

Bước đầu xây dựng mô hình dao động của 1/4 của xe ôtô với hệ thống treo tích cực Macpherson Sau khi đã có mô hình đối tượng điều khiển, ứng dụng phần mềm Matlab Simulink tiến hành thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển tối ưu LQG Đánh giá độ êm dịu

và an toàn chuyển động của ôtô khi có bộ điều khiển tối ưu LQG

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

 Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống treo tích cực Macpherson

 Ý nghĩa thực tiễn: Là cơ sở khoa học để các hãng sản xuất ôtô thiết kế mới những bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống treo tích cực Macpherson

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu nội dung của đề tài đã được hoàn thành Để làm được điều này phải kể đến sự giúp đỡ tận tình của các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Máy đặc biệt là cô TS Đinh Thị Thanh Huyền – giáo viên đã trực tiếp hướng dẫn Em xin gửi lời cảm ơn trân thành đến Cô

Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế có hạn nên trong nội dung đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của Thầy, Cô để nội dung đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin trân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2016 Sinh viên

Nguyễn Tố Ngọc

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 8

1.1 Giới thiệu hệ thống treo tích cực MACPHERSON 8

1.1.1 Khát quát hệ thống treo trên oto 8

1.1.2 Hệ thống treo tích cực Macpherson 10

1.1.2.1 Hệ thống treo bị động 10

1.1.2.2 Hệ thống treo tích cực Macpherson 13

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động của oto 16

1.2.1 Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động 16

1.2.1.1 Tần số dao động 16

1.2.1.2 Gia tốc dao động 17

1.2.1.3 Độ êm dịu chuyển động 17

1.2.2 Chỉ tiêu an toàn chuyển động 19

1.3 Thuật toán điều khiển LQG 21

1.3.1 LQR 21

1.3.2 Bộ quan sát LQE (Linear Quadratic Estimator) (Bộ lọc Kalman) 23

1.3.3 LQG 25

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC MACPHERSON 28

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ MATLAB SIMULINK THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQG CHO HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC MACPHERSON 39

3.1 Khái niệm về Matlab và Matlab Simulink 39

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

3.1.1 Matlab 39

3.1.2 Matlab Simulink 39

3.2 Các dạng đặc trưng của biên dạng đường 40

3.2.1 Dạng mấp mô có chiều dài ngắn 41

3.2.3 Dạng mấp mô có biên dạng bất kỳ 41

3.3 Thiết kế bộ điều khiển LQG 42

3.3.1 LQR 43

3.3.2 Bộ lọc Kalman 45

3.3 Mô phỏng và đánh giá 46

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật xe đƣợc khảo sát 43

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng với lực tác dụng lên xe fd=500N 48

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng với lực tác dụng lên xe fd=500N 48

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng với lực tác dụng lên xe fd=500N 49

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống treo và bố trí chung trên xe 8

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống treo Macpherson 10

Hình 1.3 Cách lắp ráp hệ thống treo trên oto 11

Hình 1.4 Mô hình hệ thống treo tích cực Macpherson 15

Hình 1.5 Sơ đồ khối nghiên cứu độ êm dịu chuyển động 18

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ƣu LQR 22

Hình 1.9 Cấu trúc bộ điều khiển LQG 26

Hình 2.1 Mô hình hoá hệ thống treo tích cực Macpherson (1/4 xe ô tô) 29

ở trạng thái ban đầu 29

Hình 2.2 Mô hình hoá hệ thống treo tích cực Macpherson (1/4 xe ô tô) 29

khi dao động một góc  30

Hình 3.1 Mấp mô dạng bậc 41

Hình 3.2 Mấp mô biên dạng hình sine 41

Hình 3.3 Mấp mô biên dạng ngẫu nhiên 41

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển tối ƣu LQG 42

cho hệ thống treo tích cực Macpherson 42

Hình 3.5 Mô hình bộ điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống treo tích cực Macpherson 47

Hình 3.6 Biểu đồ gia tốc giao động của xe khi fd=500 (N) 47

Hình 3.7 Biểu đồ gia tốc dao động của xe khi fd=500N 48

Hình 3.8 Biểu đồ gia tốc dao động của xe khi fd=500N 49

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu hệ thống treo tích cực MACPHERSON

1.1.1 Khát quát hệ thống treo trên oto

Hình 1.1 Hệ thống treo và bố trí chung trên xe

Hệ thống treo trên ô tô có nhiệm vụ nối đàn hồi giữa khối lượng không được treo và khối lượng được treo, tạo thành một hệ thống dao động

Hệ thống treo là hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe hoặc vỏ xe Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi với các chức năng chính sau đây [6]:

 Tạo điều kiện cho bánh xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động êm dịu, hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động không mong muốn khác của bánh xe như lắc ngang, lắc dọc,…

 Truyền lực và mô men giữa bánh xe và khung xe: bao gồm lực thẳng đứng ( tải trọng, phản lực), lực dọc ( lực kéo hoặc lực phanh, lực đẩy hoạc lực kéo với khung, vỏ), lực bên trong ( lực ly tâm, lực gió bên, phản lực bên,…) momen chủ động, momen phanh

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm, nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực Quan hệ này thể hiện ở các yêu cầu chính được tóm tắt như sau [6]:

 Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của

xe như chạy trên đường tốt hoặc xe có khả năng chạy trên nhiều loại địa hình khác nhau

 Bánh xe có khả năng chuyển dịch trong một giới hạn không gian hạn chế

 Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phải phá hỏng các quan hệ động lực học và động học của chuyển dộng bánh xe,

 Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ

 Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên khung, vỏ xe tốt

 Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô tô ở tốc độ cao, ôtô điều khiển nhẹ nhàng

Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bị động trên ôtô hiện vẫn còn sự mâu thuẫn giữa độ an toàn chuyển động và độ êm dịu chuyển động của ôtô Hệ số cản giảm chấn thấp thì độ êm dịu chuyển động tăng nhưng độ an toàn chuyển động giảm Ngược lại,

hệ số cản giảm chấn cao, độ an toàn chuyển động tăng nhưng độ êm dịu chuyển động giảm

Độ an toàn chuyển động của ôtô chủ yếu bị giới hạn bởi dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe, dịch chuyển xoay của thân xe, góc lắc dọc và lắc ngang của thân xe trong quá trình phanh hoặc vào các khúc cua Độ êm dịu chuyển động của ôtô có thể đánh giá thông qua dịch chuyển thẳng đứng, gia tốc thẳng đứng và gia tốc lắc dọc của thân

xe

Ô tô dao động chủ yếu do kích thích từ mấp mô mặt đường Hiện nay hệ thống treo

bị động được coi là tốt nhất chỉ có thể đúng với một loại đường nhất định Do vậy, để thỏa mãn các chỉ tiêu độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động trên tất cả các loại đường khác nhau thì các đặc tính của hệ thống treo cần phải thay đổi trong quá trình ôtô chuyển động phù hợp với các đặc tính của đường và vị trí khung vỏ xe được điều khiển nhờ hệ thống điều khiển tự động

1.1.2 Hệ thống treo tích cực Macpherson

1.1.2.1 Hệ thống treo bị động

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống treo Macpherson

Cấu tạo:

1 – Lò xo 2 – Giảm chấn 3 – Khung xe 4 – Cánh tay đòn

Đối với hệ thống treo cũ khi lắp ráp của số điểm gắn với khung xe là 4 điểm (2 thanh đòn hình tam giác nằm song song với nhau, liên kết qua thanh nối) còn hệ thống treo

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Macpherson giảm xuống còn 2 điểm với ống nhún là phần dẫn hướng của hệ thống chỉ còn một thanh đòn ngang dưới gắn với trục bánh xe [9] ( hình 1.3)

Hình 1.3 Cách lắp ráp hệ thống treo trên oto

( bên trái – hệ thống treo Macpherson; bên phải – hệ thống treo thông thường) Mặc dù chưa tạo sự ổn định thân xe nhưng chỉ cần đơn giản hóa hệ treo (hệ thống treo MacPherson có cấu tạo đơn giản chỉ có thanh đỡ dưới, trụ chống mâm bánh, giảm

chấn, lò xo ) giúp giá thành sản xuất rẻ, khoang động cơ của loại xe dẫn động cầu trước được giảm nhẹ và giải phóng không gian động cơ [9]

Khi xét đến cách thức vận hành của hệ thống treo thì hệ thống treo Macpherson có thể được gọi là hệ thống treo bị động ( dao động của xe được xác định hoàn toàn bằng mặt đường)

 Đảm bảo dao động của phần không treo là nhỏ nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

 Nâng cao các tính chất truyền động của xe như khả năng tăng tốc, khả năng an toàn khi chuyển động

 Để dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm chấn sẽ biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu

Đối với hệ thống treo bị động thông thường các thông số của bộ phận cấu thành (lò

xo và giảm chấn) đã được xác định từ trước Các thông số này do người kỹ sư thiết kế

ra hệ thống treo đưa vào, tùy theo mục đích sử dụng mà người ta muốn đạt được ở hệ thống treo

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Hệ thống treo bị động được thiết kế dựa trên sự thống nhất giữa tính êm dịu trong chuyển động và độ an toàn chuyển động (khả năng bám đường) của xe Ta thấy nếu hệ thống treo có hệ số giảm chấn lớn thì rất tốt cho tính ổn định chuyển động của xe, nhưng nó lại hấp thu nhiều tác động của mặt đường làm giảm tính êm dịu Nếu hệ thống treo có hệ số giảm chấn quá mềm sẽ tạo độ êm dịu rất cao nhưng nó lại gây ra nhiều rung động cho xe

Một hệ thống treo bị động tốt phải dung hòa được hai đặc điểm trên, nhưng điều đó

là rất khó thực hiện ở hệ thống treo Macpherson thông thường Một hệ thống treo Macpherson được thiết kế tốt có thể mở rộng phần nào đó khả năng chuyển động và

ổn định nhưng không thể loại trừ được sự mâu thuẫn này

Như vậy ưu điểm của hệ thống treo bị động là đơn giản trong thiết kế, vận hành và bảo dưỡng nhưng hệ thống treo bị động không đảm bảo được chất lượng hoạt động khi chuyển động tốc độ cao trên các biên dạng mặt đường khác nhau

1.1.2.2 Hệ thống treo tích cực Macpherson

Hệ thống treo bị động bị hạn chế hoạt động do mối quan hệ áp đặt giữa lò xo và

giảm chấn Hệ thống treo bị động chỉ có thể triệt tiêu năng lượng được lưu trữ trong lò

xo và giảm chấn Để khắc phục những hạn chế của hệ thống treo bị động, hệ thống treo tích cực đã ra đời Bằng cách thêm vào hệ thống treo bộ chấp hành lực chủ động –

có thể là loại thủy lực, khí nén hoặc điện – lực đầu vào của hệ thống treo có thể được

mô phỏng thông qua luật điều khiển bất kỳ

Ví dụ gia tốc hay hành trình của hệ thống treo, có thể được tính toán bởi cảm biến và phân tích bởi máy tính điện tử trong đó có tích hợp luật điều khiển Tín hiệu điện tử từ máy tính sẽ yêu cầu bộ chấp hành đưa ra lực có độ lớn tương ứng Do năng lượng được cung cấp liên tục tới hệ thống treo một cách chủ động nên lực sinh ra không phụ thuộc vào năng lượng được lưu trữ trước đó trong hệ thống treo

Hệ thống treo tích cực có thể đồng thời làm mềm để cô lập thân xe với mặt đường và làm cứng để chịu tải trọng và thu nhỏ hành trình của hệ thống treo Hệ thống treo bị động với các thông số kết cấu cố định chỉ có thể phù hợp với một chế độ nhất định Hệ thống treo chủ động có khả năng cô lập thân xe tốt hơn hệ thống treo bị động hoặc tương đương với hệ thống treo bị động khi xe chạy ở tốc độc cao hay trên đường xấu

Khuyết điểm của hệ thống treo chủ động là giá thành cao, kết cấu phức tạp do cần

nguồn năng lượng bên ngoài và độ tin cậy kém hơn Khi thử nghiệm xe sử dụng hệ

thống treo chủ động người ta thấy rằng có thể duy trì điều kiện lái ổn định trên những con đường sỏi đá và gập ghềnh Mũi xe cũng không bị nâng lên hay chúi xuống khi tăng tốc và khi phanh Khi quay vòng, xe có thể giữ được trạng thái nằm ngang, thậm chí xe có thể tự nghiêng vào trong một chút nếu cần Bộ chấp hành thủy lực điều khiển bằng máy tính làm việc nhanh hơn khi hành trình của hệ thống treo chỉ bằng 70% so với hệ thống bị động khi xe đi ở cùng tốc độ và cùng điều kiện đường sá Điều đó có nghĩa là xe có khả năng đáp ứng nhanh hơn 30% so với hệ thống treo bị động Lợi ích của hệ thống treo chủ động là rất lớn Xe sẽ không cần phải lắp một loạt các chi tiết như lò xo, giảm chấn và thanh xoắn Tất cả những gì hệ thống treo chủ động cần là một hệ thống chấp hành chung với chíp điều khiển có nạp các chương trình điều khiển khác nhau phù hợp tùy từng loại xe, kiểu xe (xe sang, xe thể thao ) Tất cả phần cứng

sẽ dùng chung, chỉ có phần mềm là cần thay đổi Do đó, hệ thống treo chủ động sẽ cung cấp khả năng lái tốt hơn, nghĩa là tăng khả năng bám của lốp với mặt đường, đồng thời cung cấp tính êm dịu chuyển động tốt hơn bằng cách thu hẹp bề mặt lốp xe

Thu hẹp bề mặt hoa lốp sẽ giảm được lực cản lăn và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu Với việc gắn thêm bộ chấp hành lực chủ động vào hệ thống treo Macpherson ta thu

được “Hệ thống treo tích cực Macpherson

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Hình 1.4 Mô hình hệ thống treo tích cực Macpherson

Trong đó:

ms – Khối lượng được treo

mu – Khối lượng không được treo

Zs – Dịch chuyển của khối lượng được treo

Zu – Dịch chuyển của khối lượng không được treo

0- Chuyển vị góc ban đầu của đòn ngang tại vị trí cân bằng

Hệ thống treo tích cực Macpherson được điều khiển sự chuyển động thẳng đứng của bánh xe thông qua hệ thống vi mạch, thay vì chuyển động của bánh xe được xác định hoàn toàn bằng mặt đường Do đó hệ thống này loại bỏ hoàn toàn được vấn đề

nghiêng theo chiều ngang, sự chúi đầu hay đuôi xe trong những trường hợp vào cua, phanh hoặc tăng tốc

Công nghệ này giúp chiếc xe đạt được tính êm dịu và tính năng lái cao hơn, bằng cách giữ cho bánh vuông góc với mặt đường khi vào cua, nhờ đó tăng thêm độ bám và

sự điều khiển xe

Vi mạch điều khiển sẽ phát hiện chuyển động của thân xe từ các cảm biến gắn trên

xe và dung các dữ liệu được tính toán bởi thuật toán điều khiển, từ đó sẽ điều khiển hoạt động của hệ thống treo

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động của oto

Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá dao động của oto Các nước hoặc các hãng oto

lớn đều có các chỉ tiêu đánh giá khác nhau Trong đó quan trọng được sử dụng đánh giá dao động ô tô bao gồm:

 Chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động

 Chỉ tiêu về an toàn chuyển động

1.2.1 Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động

Hiện nay đối với độ êm dịu chuyển động có thể đánh giá qua các chỉ tiêu:

 tần số dao động

 gia tốc dao động

 độ êm dịu chuyển động

1.2.1.1 Tần số dao động

Do nhu cầu sinh hoạt hàng ngày phải di chuyển nhiều nên con người quen với nhịp

điệu bước đi Trung bình trong một phút con người có thể thực hiện khoảng 60 – 90 bước đi Khi quan niệm con người thực hiện một bước đi là một dao động thì con người đã quen với tần số dao động 60 – 90 lần/phút Tần số dao động của ô tô nằm trong giới hạn theo [2]:

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

n = 60 – 90 lần/phút đối với xe con ( 1 – 1.5 Hz)

n = 100 – 120 lần/phút đối với xe vận tải ( 1,6 – 2 Hz)

Ở Việt Nam, chỉ số này đang được đề nghị nhỏ hơn 2.5 ( Hz ) đối với các loại ô tô sản xuất, lắp ráp trong nước

tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu nhiên với dải tần số rộng

1.2.1.3 Độ êm dịu chuyển động

Một ôtô đảm bảo độ êm dịu chuyển động có nghĩa là các thông số đánh giá độ êm dịu chuyển động của nó nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn đánh giá

Độ êm dịu chuyển động của ôtô do dao động của nó quyết định Do đó để xem xét đầy đủ về độ êm dịu chuyển động ta cần phải xét mối quan hệ: Người – Xe – Đường

Hình 1.5 Sơ đồ khối nghiên cứu độ êm dịu chuyển động

Trong sơ đồ trên có 3 thành phần: Mặt đường (trên đó ôtô chuyển động), ôtô (chịu sự điều khiển của con người) và con người chịu dao động do ôtô truyền đến

Mặt đường mà trên đó xe chuyển động có những mấp mô và đó là nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động Mặt đường được đặc trưng bằng chiều cao mấp mô của nó…Trong thực tế thì mấp mô mặt đường là ngẫu nhiên và được đánh giá qua thống kê: Hàm phân phối, mật độ phổ Trong lý thuyết, để nghiên cứu dao động của ôtô có thể coi mặt đường là hàm điều hòa hoặc là một hàm ngẫu nhiên

Ôtô là một hệ cơ học dao động phức tạp, nhiều khối lượng; chịu ảnh hưởng trực tiếp của mấp mô mặt đường; sinh ra dao động tác động lên người, hàng hóa trên xe Trên ôtô, hệ thống có ảnh hưởng quyết định nhất đến dao động của nó là hệ thống treo

Người là một trong những đối tượng chịu sự tác động của dao động ôtô Trong xe khách, người bao gồm lái xe và hành khách là đối tượng chuyên chở nên cần phải được xem xét Bản thân cơ thể con người cũng bao gồm các bộ phận liên kết với nhau thông qua các khớp mềm hợp thành một hệ dao động phức tạp Những dao động kích thích ảnh hưởng lớn đến hoạt động sinh lý và khả năng làm việc của con người Dao động có thể làm rối loạn hoạt động của các cơ quan làm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác điều khiển xe của người lái, năng suất làm việc cũng như sức khỏe của hành khách Độ êm dịu được đánh giá bằng giá trị bình phương trung bình của gia tốc thân

xe, bao gồm:

 Gia tốc đường truyền thẳng đứng

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

T s

T

  (m/s2) Với T là chu kì dao động

Theo tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn IOS hiện hành là ISO 2631 – 1:1997 ( tương đương với tiêu chuẩn TCVN 6964 – 1:2001) cho phép đánh giá tác động của dao động lên con người đi trên xe Sự khác nhau của tiêu chuẩn ISO so với các tiêu chuẩn khác

là ở chỗ có tính đến thời gian tác động của dao động Để đánh giá cảm giác người ta sử dụng dao động thẳng đứng điều hoà tác động lên người đứng và người ngồi trong vòng

8 giờ Nếu tần số tác động ở trong giới hạn nhạy cảm nhất với giới hạn con người (4 ÷

8 Hz) thì giá trị bình phương trung bình của gia tốc ứng với các giới hạn là:

)

Nhận xét: Nhìn chung có nhiều chỉ tiêu để đánh giá độ êm dịu chuyển động Trong

đó gia tốc dao động kể đến đồng thời biên độ, tần số dao động có ảnh hưởng trực tiếp đến người lái xe, hành khách, hàng hóa Vì vậy gia tốc dao động là chỉ tiêu quan trọng

có tính chất quyết định đến độ êm dịu chuyển động Trong giới hạn cho phép, đề tài tập trung nghiên cứu đánh giá độ êm dịu chuyển động theo chỉ tiêu gia tốc dao động

1.2.2 Chỉ tiêu an toàn chuyển động

Độ an toàn được đánh giá bằng giá trị bình phương trung bình của độ lệch chuẩn giữa tải trọng động và tải trọng tĩnh của bánh xe tác dụng xuống nền đường, đại lượng này đặc trưng cho khả năng bám xe với mặt đường Giá trị này càng nhỏ thì độ an toàn càng cao, theo [7]:

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

khi điều khiển) Trong những trường hợp đặc biệt bánh xe có thể bị nẩy khỏi mặt đường khi đó 𝐹𝑑 = 0 và ôtô sẽ mất tính điều khiển

Ngoài ra khi khảo sát dao động người ta còn quan tâm tới sự bám của lốp xe tới mặt đường Có thể ôtô dao động đảm bảo thỏa mãn các chỉ tiêu về độ êm dịu, nhưng bánh

xe bám đường kém nên làm mất ổn định khi điều khiển xe, dẫn đến tiêu hao nhiên liệu

Vì vậy có thể sử dụng giá trị bình phương trung bình của dịch chuyển tương đối giữa bánh xe với độ mấp mô mặt đường để đánh giá sự bám ( tiếp xúc ) của bánh xe với mặt đường:

2 d

Trong đó: td- chuyển dịch tương đối của bánh xe với đường

 - chuyển dịch của bánh xe theo phương thẳng đứng

q – chiều cao mấp mô của biên dạng đường

1.3 Thuật toán điều khiển LQG

1.3.1 LQR

Trong lý thuyết điều khiển tối ưu, LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp thiết kế các luật điều khiển phản hồi trạng thái cho các hệ tuyến tính mà tối thiểu hóa hàm giá trị toàn phương.Trong LQR, thuật ngữ “Linear-Tuyến tính” nói đến động học hệ thống mà mô tả bởi một tập các phương trình vi phân tuyến tính và thuật ngữ

“Quadratic – toàn phương” nói đến chỉ số hiệu suất (thực hiện) mà mô tả bởi hàm toàn phương Mục đích của thuật toán LQR là tìm một bộ điều khiển phản hồi trạng thái Phương pháp thiết kế được thực hiện bằng lựa chọn ma trận QR và ma trận RR Lợi ích của thuật toán điều khiển là nó tạo ra một hệ thống bền vững bằng việc đảm bảo các giới hạn ổn định [4]

Trong đó:

 A, B1 – Các ma trận hằng số

 f a - Vecto tín hiệu đầu vào

 x - Vecto trạng thái của hệ thống

Với vecto điều khiển tối ƣu đƣợc xác định bằng công thức:

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ƣu LQR

Bộ điều khiển K đƣợc xác định bằng công thức:

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Từ đây ta có thể thấy để có thể thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu LQR ta

cần phải tìm ra bộ điều khiển K Các bước để thiết kế được bộ điều khiển K như sau:

 Chọn ma trận QR, RR để xác định P

 Thay P vào (*) để có được bộ điều khiển K

1.3.2 Bộ quan sát LQE (Linear Quadratic Estimator) (Bộ lọc Kalman)

Hướng khác để ước lượng trạng thái trong của hệ thống là sử dụng bộ ước lượng

toàn phương tuyến tính ( Linear Quadratic Estimator – LQE) Trong lý thuyết điều

khiển, LQE được xem là bộ lọc Kalman hoặc là một bộ quan sát Mô hình bộ lọc

Kalman như sau [4]:

Hình 1.8 Mô hình bộ quan sát Kalman

Từ mô hình ở hình 1.6 ta thấy rằng Bộ lọc Kalman được điều khiển bởi các tín hiệu

điều khiển và tín hiệu đo lường ( kết quả đầu ra y) Đầu ra của nó là một ước lượng

trạng thái được tối ưu khi hệ thống có nhiễu

Xét đối tượng bị nhiễu nx, ny tác động được mô tả bởi hệ phương trình trạng thái sau:

y  C x  D f1 +na y

Hai tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên n ( )x t , n ( )y t đƣợc giả thiết:

 Chúng là tín hiệu ngẫu nhiên

 Chúng có kỳ vọng ( giá trị trung bình) có giá trị bằng 0, tức là

Mục đích của bộ lọc là đƣa ra một ƣớc lƣợng trạng thái sao cho x  z

Nhiệm vụ đƣa ra là tìm ra giá trị L sao cho:

2 1

n i i

Q M e



 

     min (3) Với e – Mô tả sai lệch, đƣợc tính nhƣ sau: e t ( )  x t ( )  z t ( )

Lấy (1) – (2) ta có:

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Hình 1.9 Cấu trúc bộ điều khiển LQG

Thiết kế của LQR và bộ lọc Kalman có thể được thực hiện riêng rẽ LQG cho phép chúng ta tối ưu chất lượng hệ thống và để giảm nhiễu đo lường Bộ lọc Kalman đưa ra các trạng thái ước lượng của quá trình LQR tính toán vector hệ số tối ưu và sau đó tính toán tín hiệu điều khiển

Chúng ta xét đối tượng tuyến tính theo thời gian được mô tả bởi phương trình trạng thái:

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

a 0

1 ( Q a).dt 2

Như vậy để thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG ta có các bước như sau:

 Xây dựng bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR không có sự tác động của nhiễu

 Xác định ma trận L của bộ quan sát Kalman để tạo bộ quan sát Kalman lọc các tín hiệu nhiễu

 Ghép bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu LQR và bộ quan sát Kalman ta được bộ điều khiển tối ưu LQG

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC

CHO HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC MACPHERSON

Ô tô là một hệ cơ học phức tạp bao gồm nhiều bộ phận, khối lượng như: Thân vỏ xe,

trục, bánh xe,… Khi nghiên cứu về hệ thống treo của ô tô ta có thể chia những bộ phận, khối lượng của xe thành hai phần chính đó là khối lượng được treo ( toàn bộ khối lượng của xe nằm bên trong hệ thống treo – lò xo và giảm chấn) và khối lượng không được treo ( là khối lượng nằm dưới hệ thống treo và trên bánh xe)

Số bậc tự do của mỗi khối lượng theo đúng định nghĩa là số toạ độ độc lập đủ để xác định vị trí của nó ở từng thời điểm treong không gian

Tuỳ theo mục đích nghiên cứu về dao động của hệ thống treo ta có thể xây dựng mô hình vật lý cho hệ thống trong mặt phẳng dọc, ngang hoặc là trong không gian Trong mặc phẳng dọc, dao động thẳng đứng và quay quanh trục ngang đi qua trọng tâm của khối lượng được treo ảnh hưởng đến độ em dịu chuyển động của xe Trong mặt phẳng ngang, chuyển vị góc của khối lượng được treo quay quanh trục dọc đi qua trọng tâm của xe sẽ quyết định đến tính dẫn hướng và mức ổn định chuyển động của xe Theo những nghiên cứu cho thấy ô tô được thiết kế có khối lượng phân bố đối xứng qua mặt phẳng dọc nên những dao động trong mặc phẳng dọc và mặt phẳng ngang là độc lập với nhau Mô hình dao động ô tô được xây dựng phải bảo đảm: “ sát với thực tế, đơn giản, thuận tiện trong tính toán, phù hợp với mục đích nghiên cứu và cho kết quả chính xác nhất”

Trong đề tài này vì để có thể đánh giá đến những ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng hệ thống treo ( cả về độ êm dịu, tính dẫn hướng và ổn định chuyển động của xe)

ta đánh giá trong mặt phẳng dọc để có thể đánh giá chất lượng của hệ thống Mô hình vật lí của 1/4 xe ban đầu và sau khi dao động như sau:

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Hình 2.1 Mô hình hoá hệ thống treo tích cực Macpherson (1/4 xe ô tô)

ở trạng thái ban đầu

Hình 2.2 Mô hình hoá hệ thống treo tích cực Macpherson (1/4 xe ô tô)

khi dao động một góc  Trong đó:

ms – Khối lƣợng đƣợc treo

mu – Khối lƣợng không đƣợc treo

zs – Dịch chuyển của khối lƣợng đƣợc treo

zu – Dịch chuyển của khối lƣợng không đƣợc treo

 - Độ dịch chuyển góc của đòn ngang so với vị trí cân bằng

0- Chuyển vị góc ban đầu của đòn ngang tại vị trí cân bằng

 - Góc lệnh giữa liên kết OA so với mặt ngang

 Các giá trị zs và  đƣợc đo từ các điểm cân bằng của chúng

 Khối lƣợng và độ cứng của đòn ngang bị bỏ qua

 Độ cong của lò xo, sự sai lệch của lốp và lực giảm chấn nằm ở vùng tuyến tính của dải hoạt động của chúng

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

* Xét hệ thống treo tại vị trí cân bằng:

(YA, ZA), (YB, ZB), (YC, ZC) biểu thị toạ độ các điểm A, B, C tương ứng

Phần được treo dịch chuyển theo Zs và phần không được treo quay theo  theo

 Xét tam giác AOB:

 Tại vị trí cân bằng ban đầu: 2 2

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Theo phương trình Lagrang ta được hai hệ phương trình vi phân như sau:

2 sin( )

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

Đặt:

1 sin( )

2 cos (.) ( ) .

2 0 1

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

.sin( `) 1

.cos( ) sin( )

SVTH: NGUYỄN TỐ NGỌC GVHD: TS ĐINH THỊ THANH HUYỀN

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB

VÀ MATLAB SIMULINK THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQG CHO HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC MACPHERSON

3.1 Khái niệm về Matlab và Matlab Simulink

Matlab được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ của tính toán khoa học

3.1.2 Matlab Simulink

Simulink là một phần mềm mở rộng của MATLAB (1 Toolbox của Matlab) dùng để

mô hình hoá, mô phỏng và phân tích một hệ thống động Thông thường dùng để thiết

kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác [5]

Simulink là thuật ngữ mô phỏng dễ nhớ được ghép bởi hai từ Simulation và Link Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính,hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn [5]

Để mô hình hoá, Simulink cung cấp cho bạn một giao diện đồ họa để sử dụng và xây dựng mô hình sử dụng thao tác "nhấn và kéo" chuột Với giao diện đồ họa ta có thể xây mô hình và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn Đây là sự khác xa các

phần mềm trước đó mà người sử dụng phải đưa vào các phương vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình

Điểm nhấn mạnh quan trọng trong việc mô phỏng một quá trình là việc thành lập được mô hình Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển

và từ đó thành lập nên mô hình của bài toán

3.2 Các dạng đặc trưng của biên dạng đường

Ảnh hưởng của biên dạng mặt đường tới dao động của ôtô được xác định bằng kích thích, hình dạng hình học và đặc tính thay đổi của chúng Tùy theo chiều dài hoặc chiều cao của mấp mô có thể phân ra các nhóm đặc trưng khác nhau:

+ Nhóm 1: Mấp mô có chiều dài ngắn, tác động của chúng lên các bánh xe mang tính

va đập (tác động xung)

+ Nhóm 2: Mấp mô có dạng hàm điều hòa (hàm sine)

+ Nhóm 3: Mấp mô thay đổi liên tục với hình dạng bất kỳ (ngẫu nhiên)

Khi nghiên cứu dao động phát sinh do ôtô chuyển động qua các mấp mô có chiều dài ngắn, giả thiết ở thời điểm chuyển tiếp khi ôtô bắt đầu di chuyển lên các mấp mô thì trạng thái của hệ hoàn toàn được xác định bởi giá trị tọa độ và đạo hàm bậc nhất của chúng Nói cách khác điều kiện ban đầu ở thời điểm bắt đầu chuyển động lên các mấp

mô các giá trị Z tr( ) và

.

r( )

Z t đã được biết trước

Các biên dạng mấp mô mặt đường được sử dụng trong đề tài được mô tả, xây dựng

và mô phỏng sử dụng các khối trong Simulink như sau: